直流电机PPT课件.ppt

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1、第五篇 直流电机,上一页,下一页,退 出,电机的主要类型之一主要用途;电动机,发电机-电机可逆性 测速发电机,伺服电动机 直流电机特点:性能优良,结构复杂 在电机统一理论中作为其他电机的基础。,退 出,上一页,下一页,返 回,直流测速发电机,直流伺服电动机,17.2直流电机的结构,直流电机剖面图,铁心冲片,换向极,电枢：将电磁功率变换为输出功率的部件,17.3 直流电机的铭牌数据,1、额定(输出)功率PN(kW)2、额定电压UN(V)3、额定电流IN(A)4、额定转速nN(r/min)5、额定励磁电压UfN(V),绕组名称 出线端标志电枢 A1 A2换向极 B1 B2补偿 C1 C2串励 D1

2、 D2并励 E1 E2他励 F1 F2,直流电机主要系列,Z2 中小型一般用途Z ZF 大中型一般用途ZT 恒功率宽调速ZZJ 冶金辅助拖动ZQ 电力机车牵引Z-H 船用ZA 矿用防爆ZU 龙门刨床用ZLJ 力矩伺服,例型 号:Z4-200-21 Z系列 序号4 机座中心高度200mm 电枢铁芯长度代号2 端盖代号1,第18章直流机的原理电枢绕组磁场和电枢反应,工作原理及结构,一 直流电机的工作原理,为了电动机转矩方向不变导体转到不同磁极下电流相反或定子磁场Fs不动，转子电流磁场Fr也不动而转子转动-由换向器及绕组自动换流,Fs,18.2 电枢绕组,一、环形与鼓形绕组(略),二叠绕组 如图相邻

3、线圈依次串联-”尾接头”线圈两端分接相邻换流片要点(1)电刷在磁极中心线（注：线圈及换流器随转子转动，磁极及电刷随定子不动）转子转动过程(2)同磁极下线圈边电流相同，异极电流相反(3)被电刷短路的线圈边在定子2磁极(0磁)间,例16槽4极单叠绕组完整展开图 线圈宽Y=极距=总槽数Z/(极数2p)=4槽 每槽上下2个线圈边 线圈数S=换向片数K=槽数Z=16,迭绕组并联支路数多=主磁极数-电流容量大,18.2 电枢绕组,三波绕组：相隔约一对极距的线圈相串联，象波浪式的前进。(书图18.10)并联支路数=2 串联线圈多 电压容量大,18.1直流电机的励磁方式,1、他励,2、并励,3、串励,4、复励

4、:并+串。,18.1 直流电机的空载磁场,电枢表面磁场分径向、切向分量径向Br产生切割电势和转矩切向Bt不产生.空载：电枢电流=0只有励磁的磁场-称直轴磁场Bd。分布：1.极面下主要为径向分量Bdr其磁通为主磁通 2.中性线Bdr=0,有小量切向分量Bdt,电枢电流磁场-交轴磁场Bq,18.3 直流电机负载时磁场,电枢反应-电枢电流对气隙磁场的影响-使气隙磁场弯曲+？-？效应1：产生电磁转矩T+,效应2-换向恶化-中性线有径向分量Br换向线圈在此有切割电势 改善(1)电刷移动,使换向处无Br(电动机逆转向移,发电机顺移)但不能适应Ia变化(2)在主磁极之间设换向磁极 其磁场抵消换向处Br 励磁

5、绕组与电枢串联,能自动适应电流变化,电枢反应,效应3：减磁-气隙总Br=励磁Bdr+电枢Bqr Br比Bdr有增有减 但因磁饱和，增不抵减-总平均Br减小减小 改善：主磁极可加补偿绕组与电枢串联即积复励磁使其增磁自动抵消电枢反应的减磁,电枢反应,主磁通与定转子绕组都交链的磁通 主要由Bdr产生 与电枢绕组，产生切割电势-传递电磁能量漏磁通k 主要由Ia的Bqt产生，只与单个(电枢)绕组交链 产生变压器电势e=-dk/dt=-Lkd(ia)/dt 磁路的气隙比例大，-I线性,Lk常数 等效为一个串联电抗,不传递电磁能量-电机通则,主磁通与漏磁通,电动势和电磁转矩,功率,一、电动势 无论电动或发电

6、,电枢由主磁通切割的电势E=(串联N1)Brlv=总N/并联数2a(/l)l(2pn/60)=Cen Ce-电势常数(=Np/(60a)二电磁转矩Tem、电磁功率Pem机械功率Tem*n/9.55 电功率EI-电磁功率Pem Tem=9.55EI/n=9.55CenI/n=CmI,转矩常数 Cm(=CT)=9.55Ce，Cm=9.55Ce稳态Tem=负载TL，电流取决负载，与电压无关 转速n=E/CeU/Ce电压和磁场都可调节转速,可变损耗Pv：与负载电流(2)有关，整个电枢回路绕组铜损Ia2R。不变损耗Piv:与负载电流无关,与nu等有关，并非完全不变 机械磨损pmec;电枢铁损pfe；附加

7、pad(齿槽磁变铁损+换向片刷损)约0.5-1%PN；.,损耗与功率流,电动运行,发电运行,可变、不变损耗,一 电动势平衡方程式,稳态运行 U=ERaIa+2U(电刷压降)ERaIa 电动：E,I反向,UE“+”发电：同向,“-”,直流机的基本方程式,二运动方程式,电动机运行：由功率流图及T=9.55P/n 电磁转矩Tem=轴上输出T2+电机空载损耗T0 注:T2包括电机自身加速转矩(GD2/375)dn/dt发电机运行:Tem=输入T1-电机空载损耗T0,=输出P2/输入P1=1-(损耗p/P1)p=“不变”损耗Piv+可变损耗PvP2(I)过小,不变损耗比例大,效率低 过大,可变损耗比例大

8、,效率低损耗率(Piv+Pv)/UIa=(Piv/Ia+RaIa)/U最小：-Piv/Ia2+Ra=0 即：不变损耗Pv=Piv可变损耗效率最高:-电机效率通则直流机额定效率-容量越大,效率越高10kW 10100kW 1001000kW7588.5%8590%8893%。最高效率点：大电机近半载 半载满载:高效率范围大小电机超载:摩擦等使Piv过大,直流电机效率,例1.1,直流电动机额定值:Pn=40000,Un=220,Ian=210,nn=1500Ifn=0.5,Ra=0.078,pad=Pn/100%单位W,V,A,RPM%功率计算P1n=Un*(Ian+Ifn)%pcuan=Ra*I

9、an2%pvpcuf=Un*IfnPemn=P1n-pcuan-pcufp0=Pemn-Pn piv=pcuf+p0Etan=Pn/P1n,463103439.8 110427602760.2 2870.2 pv0.86374,例1.1,设piv不变,计算效率曲线Ia=0.1:0.01:1.0*Ian;pv=Ra*Ia.2;P1=Un*(Ia+Ifn);P2=P1-pv-piv;Eta=P2./P1;plot(Ia/Ian,Eta)半载后效率较高最高:Iam=sqrt(piv/Ra)=191 Etam=max(Eta)=0.86374注:“不变”损耗及效率曲线 与电压、转速有关.,19.2直流

10、发电机的工作特性,一直流发电机空载特性,1 他励机空载特性 n=nN 调励磁If(Uf)使 U0 1.1UN得曲线如图。因U0=E，空载特性同磁化特性,发电:E与Ia同向,|E|U|转子Tem与n反向转子磁场在前定子磁场在后,2 并励机空载自励建压 n=nN,条件(1)电机有剩磁（不足时可加电励磁）(2)励磁绕组与电枢的并联极性正确 即励磁电流使磁场增强他励空载U0-If曲线与励磁绕组Uf-If曲线如图前段因剩磁高于，即同一If的UoUf，而正反馈升压：Uf=Uo If新Uo 因有饱和与有交点，成稳态点注：励磁绕组有电感 实际If连续变化,直流发电机运行外特性-U随负载I的变化（n=nN 或他

11、励If=IfN),U=Ea-Ra I=Ce n-Ra I1 他励机略电枢反应 主要为RaI引起的压降2 并励机 RaI降压引起、E降低 压降比他励更大3 复励发电机主磁极加串励补偿绕组-随I E补偿RaI小负载过补-U随I升大负载(磁饱和)欠补U随I降,直流发电机负载运行外特性,4 闭环自动控制输出恒压,Ud过低调节器UUc开关VT导通比Uf、E Ud,19.3 直流电动机 Ia与E反向|U|E|转子Tem与n同向 定子磁场在前 转子磁场在后,转速:,由方程:U=E+Ia*Ra,Tem=CTIa,E=Cen,略转速降n nno=U/(Ce)正比于U-反比于 n n（它、并励）电机失磁(无励磁仅

12、有剩磁)0 则 n极大 飞车,电流较大时，电枢反应减磁，转速回升，特性呈上翘。,转速降小-特性较硬 恒速性好,一、他(并)励机恒压机械特性,(例1.1 En=220-210*.078=203.62V CeF=203.6/1500=0.136V/RPM n0=220/.136=1621RPM n=n0-nn=121RPM，n/nn=8.06%）,典型负载机械特性,他励机特性较硬 对各种负载 转速变化不大,稳定性 稳定定义：干扰消失后系统状态恢复,设短时干扰后使：nTL(n)则 dn/dt0 即可恢复n=nb 系统稳定一般条件（n-nb)*(Tem-TL)TL即稳定一般下降型机械特性的电机拖动各种

13、负载均稳定,电压与电流关系,稳态Ia=TL/CT取决负载 与U无关例 U n(n、E比U慢，故I动态)然后：负载 n TL和稳态Ia 风机 恒转矩 恒功率,动态,稳态,他励机工作特性-随输出P2上升，转速、转矩、效率的变化,二、串励电动机的机械特性,磁路未饱和,磁路饱和,串励机特点:(1)空载飞车,-应负载25%额定(2)起动转矩大，过载能力强(3)特性软，恒功性好,便于配电(4）接线简单，工作可靠,用于不需恒速、变化大的负载,吊车,电车,电钻.等,三、复励电动机机械特性,机械特性:介于并励（他励）和串励特性之间。并励为主，则接近并励机；串励为主，则接近串励机。复励机：恒功性较好，起动转矩大，

14、过载能力强，无空载“飞车”。用途也很广泛，例如无轨电车。,一般为积复励:并励与串励绕组的极性相同,直流电机的起动、制动与调速,一 起动：从静止到稳定运行的过程 要求:1 起动电流不能太大 n,E=0 Ist=U/R 2 起动转矩大,起动快,1、全压直接起动,特点：起动快,但电流太大 常用于百瓦的电机Ist=UN/RaIN TstTL随n&E上升电流 Ia=(UN-E)/Ra下降 稳态Ia=IL,2、串阻起动：,常用多级串电阻用电流继切换使Ist在I1=(1.52)IN 和I2=(1.11.2)IN间,3、恒流起动现直流电调速系统均有限流功能起动过程中，自动限流恒流为：Im=(1.52)In至转

15、速达到给定值-最优起动,第五节 他励直流电动机的电磁制动,电磁制动 产生与n反向电磁转矩迫使电机减速、限速过程-特殊发电状态在n=(U-RI)/Ce中通过改变U、R等，使运行点特性位于平面的2,4象限,1 能耗制动0压串阻 n=-(R+Rx)I/Ce T(I)-n相反 摩阻负载可准确停车 制动功率Pem消耗到电阻,2 反压串阻制动：n=-U-(R+Rx)I/Ce 制动转矩比1大，更快，但易反转。电源功率和制动功率都消耗到电阻。,3 串阻倒拉制动：n=U-(R+Rx)I/Ce常用于吊车低速下放物体电源和制动功率都消耗到电阻。,4 回馈制动：降压UE,IE同向-发电制动需电流可逆的调压器制动功率可

16、反馈回电源，节能用闭环控制可实现恒流-最优制动,各种制动机械特性,19.5 他励直流电动机的调速,电气调速方法：,2.调磁调速。,3.串阻调速,1.调压调速；,n=(U Ra Ia)/(Ce),n=(URaIa)/(CeN)1 满磁调压调速：2 满压减磁调速：升压升速(至UN不能超)减磁升速(N近饱和不能升)可nN以下平滑调速,以上恒转矩特性：TL不变则I不变 恒功率特性：P2不变则I不变转速降小,机械特性硬。增大，变软调速范围:nmax/nmin大 转速不能过高(换向困难)响应快 慢(励磁绕组惯性大)调压器容量大 小 1+2 可增大调速范围,3、串阻调速,Rad n,轻载效果差;机械特性变软

17、能耗大,效率低,能耗调速:输入功率不变能耗输出功率,n=(UR Ia)/(Ce),串复励机调速-调压调速,直流电机闭环调速机械特性-理想机械特性,比对：直流机恒压(默认)运行机械特性,机械特性与运行方式有关！,电机动态模型,电路方程:U=E+I*R+LkdI/dtI=(U-E)(1/R)/(1+sTl),简化：,R、Lk电枢回路电阻和漏抗Tl=Lk/R-电磁时间常数,几十ms；IL=TL/(Cm)负载电流 Tm=(GD2R)/(CeCm2)-机电时间常数,几百ms几s,电机动态模型,开环:Gk(S)=1/(Tm*s+TlTm*s2)-二阶闭环:Gb(s)=1/(Ce)/1+Tm*s+TlTm*s2令 TlTm=T2,Tm=2T 阻尼=(Tm/4Tl)小电机Tm4Tl 可小阻尼，一般电机Tm4Tl 大阻尼,电机静态模型 n=(U-IR)/(Ce),直流电动机 性能优良、控制简单方便 电磁转矩 最大:定转子电流磁场正交 易控:Tem=CmIa，、Ia易控用于起动和调速性能要求较高的生产机械 他励电动机恒速、恒转矩性能好 常用磨床、龙门刨床恒转矩负载及精密加工等。复、串励机恒功性好、起动转矩大，过载能力强 常用于重载起动机械 如驱动机车、起重机、吊车、电梯、轧钢机等 但 结构复杂、有电刷环火与磨损、制造维护困难-现电拖更多使用交流异步机,